XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспериментальные исследования действия выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда) на тело, плотно прижатое ко дну сосуда
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Несмотря на простоту формулировки закона Архимеда, который изучается уже в седьмом классе, он в полной мере пока ещё не изучен. Остаются ещё не разрешённые вопросы. Один из таких вопросов – применим ли закон Архимеда для тел плотно прижатых ко дну сосуда (водоёма) без подтекания жидкости под тело? Существуют ли условия в которых этот закон не действует? Если да, тогда это не закон – восклицают многие. Из учебника физики для 7 класса [1] следует, что причиной появления выталкивающей силы является наличие различного гидростатического давления на разных уровнях жидкости. Однако же, явного доказательства этого утверждения наукой, по мнению авторов, пока не представлено. Известное уравнение РА = никак не отражает реальности пребывания тела в жидкости, не указывает на процесс трансформации энергии погружаемого в жидкость тела. Поэтому, считают авторы данной работы, исключать действие силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоема), нелогично. Если же считать, что причиной появления выталкивающей силы Архимеда является наличие различного гидростатического давления на разных уровнях жидкости, тоэтого никто не отрицает, однако же, явного подтверждения (доказательства) того, что истинной причиной появления выталкивающей силы жидкости на погруженное тело является исключительно лишь наличие различного гидростатического давления на разных уровнях жидкости, наукой, по мнению авторов, пока не представлено. Кроме этого, считают авторы, не учитывались другие физические закономерности - силы упругости жидкости и закон сохранения энергии, действие которых направлено не на какую - либо отдельную часть поверхности погруженного в жидкость тела, а направлено на объём погруженного тела, а ещё более точно, на центр тяжести веса жидкости вытесненной телом, через который всегда проходит линия действия силы Архимеда и реакции силы Архимеда. Поэтому и сегодня при решении задач по гидростатике возникает много вопросов и сомнений в правильности их решения [11], соответственно, исследовать эти загадки, считают авторы, является актуальной задачей сегодня.
Основная часть работы.
1. Обзор различных взглядов и мнений, касающихся действия силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма).
Сегодня нет единого ответа на вопрос о действии силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма). Например, в учебнике физики под ред. Г.С. Ландсберга [2], сказано, что «Кажущимся противоречием закону Архимеда является следующий опыт. Дно стеклянного сосуда покрыто тонким слоем парафина. Положим на него кусок парафина с гладким основанием и осторожно нальём в сосуд воды, рис.1.. Кусок не всплывёт. Объяснение этого парадокса заключается в том, что вследствие не смачивания парафина водой, вода не проникает между куском парафина и дном сосуда, и, следовательно, на нижнюю поверхность куска парафина не действуют силы давления воды. Силы же давления на его верхнюю поверхность прижимают его ко дну. Если наклонить кусок парафина так, чтобы вода проникла под его нижнюю поверхность, то поддерживающая сила возникнет и парафин всплывёт. Известно, что подводная лодка, лёгшая на мягкий грунт моря, иногда не может оторваться от него, даже освободив свои цистерны от воды. Это также объясняется тем, что вода не может быстро проникнуть под корпус лодки, плотно прилёгший к грунту».
В учебнике физики для 7 класса [1] указано, что, «Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю силе тяжести, действующей на жидкость в объеме, занимаемом телом, направлена вертикально вверх и приложена в центре тяжести этого объема. Истинная причина появления выталкивающей силы — наличие различного гидростатического давления на разных уровнях жидкости. Сразу же обратим внимание на тот факт, что закон Архимеда неприменим, когда погруженное тело плотно прижато к стенкам или дну сосуда. Например, известно, что подводная лодка, опустившаяся на илистое дно, под действием силы гидростатического давления прижимается ко дну, а вовсе не выталкивается кверху». Можно – ли согласиться с такими выводами? Можно - ли без сомнений поверить в то, что вода не может быстро проникнуть под корпус лодки, что, если часть поверхности тела плотно прилегает к стенке или дну сосуда так, что между ними нет прослойки жидкости, то закон Архимеда неприменим? Если же согласиться с тем, что закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара и на него не действует выталкивающая сила жидкости, то надо тогда согласиться и с тем, что этот кубик, погружаясь в жидкость и прилегая герметично ко дну, не вытеснил при этом некоторый объём жидкости, не оказал никакого влияния на энергетическое состояние жидкости, на изменение (увеличение) уровня жидкости в резервуаре. С этим согласиться трудно, поэтому требуются инновационные доказательства действия сил на тело, плотно прижатое ко дну сосуда. Следует отметить, считают авторы, следующий интересный диалог «знатоков» физики о действии выталкивающей силы на тело, плотно прижатое ко дну водоёма: (http://www.delphimaster.ru, Текущий архив: 2005.11.27): «Дилетант: С детства меня мучает один вопрос. Поговаривают, что когда подводная лодка падает на дно, она не может всплыть легко, так как, якобы, Архимедова сила в этих условиях исчезает, то есть, давление на крышу лодки существует, а давление на дно исчезает. Сегодня ту же ерунду принес мне мой сын из школы, где физик повторял эту сомнительную для меня вещь. Существуют ли условия, в которых этот закон не действует? Если да, то это не закон?! Мыслитель: Конечно же, ты прав. Архимедова сила есть всегда. Даже на нас действует сейчас Архимедова сила. Закон действует всегда (в оговоренных условиях). Просто, возможно, возникает какая-то другая сила противоположно направленная к вектору силы Архимеда. Правда, не понятно какая?!» Как следует из диалога, мыслитель находится на верном пути к ответу о действии силы Архимеда на прижатое ко дну сосуда тело. Он отмечает, что Архимедова сила есть всегда. Даже на нас действует сейчас Архимедова сила. Закон действует всегда (в оговоренных условиях). Просто, возможно, возникает какая-то другая сила противоположно направленная к вектору силы Архимеда. Правда, не понятно какая?!» На сегодня можно уверенно сказать, что авторами данной работы, спустя более 2300 лет со дня открытия закона Архимедом, найдена, наконец – то, эта «не понятно какая» сила. Этой силой является реакция силы Архимеда [3], противоположно направленная к вектору силы Архимеда, о чем и предполагал грамотный «мыслитель», рис.1.
Рис.1. Новая схема сил, действующих на тело в жидкости.
Где: 1 – условная, абсолютно жесткая (не деформируемая) горизонтальная плоскость, равная площади всего дна сосуда (водоёма); 2 - силы, равномерно распределенные по всей площади дна сосуда (водоёма), возникающие от давления реакции силы Архимеда Rа на условную плоскость.
При условии, что RДЖ PЖ = 0, уравнение сил будет:
РА + RG = G + RА; или: RА = РА + RG G;
Где: РА - сила Архимеда; RА - реакция силы Архимеда; RG – реакция дна сосуда на действие силы тяжести тела; G – сила тяжести тела; РЖ - сила тяжести жидкости, действующая на поверхность дна сосуда (водоёма); RДЖ -- реакция дна на действующую силу тяжести жидкости в сосуде.
Открытие не известной ранее из уровня науки и техники новой силы - реакции силы Архимеда, открываетперед учёными и инженерами большие перспективы, а именно:
1. Составление правильной математической модели действующих сил на плавающее тело в жидкости [3];
2. Составление правильной математической модели действующих сил на тело, прижатое ко дну сосуда (водоёма)[6];
3. Простота конструкции инновационных приборов для измерения плотности жидкости, измерения силы Архимеда, измерения объёма тел любой формы и размеров, измерение удельного веса материала тела, определение пробы ювелирных изделий и многое, многое другое [5];
4. Возможность взвешивания на электронных весах плавающих тел (кораблей) неограниченной массы и габаритов [6];
5. Возможность установки на автотрассах перевозки с/х продукции и в агрофирмах точных и долговечных электронных гидростатических весов без ограничения массы и габаритов взвешиваемого груза [8].
6. Возможность появления нового понятия в физике «Гидростатическое поле Земли» для упрощения процесса расчётов и определения нужных параметров в решении задач гидростатики [8].
Результаты своих изысканий и экспериментальных исследований, доказывающих реальное действие силы Архимеда на тело, плотно прижатое к дну сосуда (водоёма), авторы излагают ниже.
2. Экспериментальные исследования.
Для подтверждения выше изложенных теоретических предпосылок и доказательства действия силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоема), были проведены экспериментальные исследования с использованием точной измерительной аппаратуры. Были использованы электронные весы ACOM JW -1 с точностью взвешивания до 0,01г. и с max пределом взвешивания 200г. В качестве погруженных тел на тонкой нити в сосуд с жидкостью использовались гиря массой 100г. и стальной конус массой 52,6г, днища которых хорошо отшлифованы, а сосудом служил прозрачный пластиковый сосуд, частично наполненный водой плотностью один г/см3, рис.2., на дне которого приклеено стекло. Для измерения усилия подъёма (отрыва) прижатого ко дну сосуда тела, использовался пружинный динамометр с пределом взвешивания 100г (1Н), рис.2. Целью экспериментов было:
- измерение величины действующих сил при погружении тела в сосуд с жидкостью, а именно, величины силы Архимеда и величины реакции силы Архимеда;
- измерение усилия при подъёме тела, плотно прижатого к стеклянному дну сосуда с водой, в момент отрыва его от дна;
- измерение величины силы «присоски» плотно прижатого тела к влажному стеклянному дну сосуда, в момент его отрыва от дна при подъёме тела в воздухе.
Используя пружинный динамометр, на котором висит тело, и электронные весы, на чаше которых установлен сосуд с водой, мы наглядно видим и вес тела (динамометр), и выталкивающую силу воды (показания электронных весов), которые в действительности показывают величину реакции силы Архимеда, равную по модулю величине силы Архимеда, но противоположно ей направленную вниз, рис.2. ПРИМЕЧАНИЕ: в экспериментах для удобства считывания показаний приборов, вес сосуда с водой равен нулю (без тары).
а) б) в)
Рис. 2. Действие сил в воде на гирю массой 100г, погруженную в сосуд со стеклянным дном.
Из рис.2а. видно, что вес гири, прижатой ко дну сосуда с водой (нить ослаблена), равен 100,01г. В момент отрыва гири от дна, рис.2б, весы электронные показывают 13,24г., а динамометр показывает вес гири в воде близкий 87г., то есть меньше веса гири в воздухе на величину выталкивающей силы Архимеда. Когда же полностью произошел подъём гири, и гиря не стала касаться дна сосуда, электронные весы показали значение 13,36г., что точно соответствует выталкивающей силе Архимеда, действующей на погруженную в воду гирю массой 100г, рис.2в., а динамометр при этом показывает вес гири близкий 86,7г. Причем, суммарные показания динамометра и электронных весов равны точно весу тела в воздухе, то есть весу гири 100г. Отсюда следует, что вес погруженного в жидкость (воду) любого тела, не теряется и всегда равен своему весу в воздухе в пределах действия гравитационной силы Земли. Интересно, что в момент отрыва гири с полированным днищем от дна стеклянного сосуда с водой, действует эффект присоски (вакуум и силы молекулярного сцепления воды), и гиря тащит сосуд вверх, уменьшая при этом действие сосуда на чашу весов, рис.2б., где показания весов равны 13.24г. Когда же присасывающий эффект исчезает (образован зазор между днищем гири и дном сосуда), рис.2в., весы показывают действие только одной лишь реакции силы Архимеда, равной 13.36г. и направленной вниз (смотри рис.1).
Аналогичный эксперимент проведён с погружением стального конуса массой 52.6г. в сосуд с водой и последующим отрывом его от дна сосуда, рис.3., где: а) – вес конуса, прижатого ко дну сосуда равен 52.57г. при ослабленной нити; б) - момент отрыва конуса от дна сосуда при показаниях динамометра близких 45г. и показаниях весов 7.43г; в) – величина силы Архимеда, действующая на конус в воде, равна 6.8г. при показаниях динамометра(вес конуса в воде) близких 46г.
а) б) в)
Рис. 3. Действие сил в воде на стальной конус массой 52,6г, погруженный в сосуд со стеклянным дном.
Особое внимание в эксперименте авторы уделили исследованию силы отрыва прижатого ко дну сосуда тела от дна, так как величина силы отрыва (подъёма) тела со дна сосуда, может точно указать на действие или отсутствие силы Архимеда на прижатое ко дну тело. Если сила отрыва (подъёма) тела со дна сосуда равна или же больше веса тела в воздухе, значит, выталкивающая сила на лежащее на дне сосуда тело не действует. Если же сила отрыва (подъёма) тела со дна сосуда меньше на величину веса вытесненной телом воды, значит, выталкивающая сила на лежащее на дне сосуда тело действует. В учебниках физики [1] прямо указывается, что на тела, прижатые ко дну сосуда (водоема) сила Архимеда не действует, так как вода не может подтечь под дно тела. В действительности же сила Архимеда на прижатое ко дну сосуда тело действует, а весы не чувствуют её потому, что и сила Архимеда, и открытая авторами, неизвестная ранее из уровня техники новая сила – реакция силы Архимеда, приложены к одному и тому же телу - ко дну сосуда, поэтому их равнодействующая сила равна нулю. Отсюда и складывается мнение, что на прижатое ко дну сосуда тело, сила Архимеда не действует. Однако же, наши эксперименты показали, что подъём тел (гири и конуса) со дна сосуда, когда тела плотно прижаты полированной поверхностью своего дна к стеклянному дну сосуда, происходит при силе натяжения нити (показания динамометра) меньшей, чем вес тела в воздухе на величину веса вытесненной телом воды, то есть на величину силы Архимеда. Значит, сила Архимеда на плотно прижатое ко дну сосуда тело действует, а это говорит о том, что присасывание тела ко дну сосуда или водоёма (моря – океана) никак не связано с действием на тело в жидкости выталкивающей силы Архимеда, так как тело, погрузившись в жидкую среду, вытесняет часть её объёма, равного собственному объёму. Соответственно, на тело начинает действовать сила Архимеда, которая действует до тех пор, пока объём данного тела будет больше нуля или же, пока тело не изымут из жидкости. Общий же вывод напрашивается следующий: «на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила(сила Архимеда), равная весу объёма вытесненной телом жидкости и не зависит от места расположения его в объёме жидкости». А это значит, что возникновение выталкивающей силы жидкости связано только с весом объёма жидкости, вытесненной телом. А это подтверждается формулировкой закона Архимеда.
Выводы
1. Установлено, что на любое твёрдое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила Архимеда независимо от того, где в жидкости расположено тело, подтекает или не подтекает жидкость под лежащее на дне сосуда (водоёма) тело;
2. Установлено, что весы не чувствуют действие силы Архимеда на лежащее на дне сосуда (водоёма) тело потому, что сила Архимеда, и открытая авторами, неизвестная ранее из уровня техники сила – реакция силы Архимеда, приложены в одной точке дна сосуда и равнодействующая этих сил равна нулю (PА + RА = 0);
3. Установлено, что выталкивающая сила жидкости, действующая на погруженное тело, зависит лишь от веса объема вытесненной им жидкости, а не от того, где тело расположено в объеме этой жидкости.
Список цитируемых источников:
1. А.В. Перышкин. Учебник физики для 7 класса - М.: Просвещение, 2013г.; 2. Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. (Тела, лежащие на дне сосуда, стр. 319), т.1, М, 1995 год, 356с.;
3. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н.: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда. Сборник статей X Международной научно-практической конференции. в 2ч. Ч. 1–Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение».2018.
4. Осипов Н.Е., Осипов М.А., Тимохин А.А. и др. Патент № 2663551, «Универсальный прецизионный плотномер жидких сред»;
5. Тимохин А.А., Осипов М.А.:Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда.Материалы ХХ Международной конференции научно – технических работ школьников «Старт в науку» - МФТИ, Москва, 2018.
6. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н.:О действии силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма). Материалы X международной научно-практической конференции - Фундаментальные и прикладные научные исследования, Пенза, 2018.
7. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохина И.Н.: Архимеда сила – инновации в определении величины и точности её измерения.Сборник статей Международной научно - практической конференции «Инновационное развитие: Потенциал науки и современного образования», МЦНС «Наука и Просвещение». Пенза, 2018.
8. Тимохин А.А., Осипов М.А.: Инновационный весовой способ и устройство для измерения объёма тел любой формы и размеров.L Международная научно-практическая конференция: Фундаментальные и прикладные научные исследования, МЦНС «Наука и Просвещение», Пенза, 2021.
9. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохин А.А., Осипов М.А., Тимохина И.Н. Способ и устройство определения пробы благородных металлов, М.: ФИПС, заявка на патент. Бюл. № 2, 2018г.
10. Осипов Н.Е., Осипов А.Н.,Тимохин А.А.,Осипов М.А., Тимохина И.Н.Способ измерения выталкивающей силы Архимеда,заявка на изобретение №: 2016126531 от 04.07.2016, ФИПС, Бюл. №2.11.
11. Осипов М.А., Тимохин А.А., Принципиальные ошибки в решении некоторых задач гидростатики и причины их появления: Материалы XIX Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «СТАРТ В НАУКЕ», Москва, 2023.